nghiên cứu, thiết kế và thi công mô hình thí nghiệm đường dây truyền tải điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH
THÍ NGHIỆM ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN
S

K

C

0

0

3
2

9
5

5
1

9
2

S KC 0 0 2 5 5 7

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 2009


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM


ĐỀ TÀI NCKH (CẤP BỘ/CẤP TRƯỜNG/SINH VIÊN)

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ THI CƠNG MƠ HÌNH
THÍ NGHIỆM ĐƯỜNG DÂY TRUYỀN TẢI ĐIỆN

NGƯỜI CHỦ TRÌ
NGƯỜI THAM GIA
ĐƠN VỊ

:
:
:

NGUYỄN THỚI
NGUYỄN HỮU TRÍ
KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ

TP. HỒ CHÍ MINH – 2009


MỤC LỤC

A. THÔNG TIN CHUNG .................................................................................................1
B. TÓM TĂT NỘI DUNG CÔNG TRÌNH .....................................................................1
1 Tóm tắt nội dung. ...........................................................................................................1
2. Kết quả đạt đƣợc ...........................................................................................................1
3. Điểm mới - điểm sáng tạo ............................................................................................1
4. Hậu quả kinh tế - xã hội. .............................................................................................1
5. Khả năng và triển vọng ứng dụng. ..............................................................................1
C. MÔ TẢI NỘI DUNG CHÍNH CỦA ĐỀ TÀI ............................................................2
1. ĐẶT VẤN ĐỀ ................................................................................................................2
2. MỤC TIÊU, NHIÊM VỤ CỦA CÔNG TRÌNH. ........................................................2
2.1 Mục tiêu: .....................................................................................................................2
2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu:………………………………………………………………. 3
3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU................................................................................3
4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .........................................................................................3
4.1 Ý nghĩa của việc xây dựng sơ đồ................................................................................3
4.2 Các giả thiết .................................................................................................................4
4.3 Các thông số của dây dẫn ..........................................................................................4
4.3.1 Sơ đồ mạch tƣơng đƣơng ......................................................................................4
4.3.2 Sự tồn tại các thông số .............................................................................................6
4.3.3 Tính toán các giá trị thông số .................................................................................7
4.3.4 Sơ đồ thay thế các phân tử……………………………………………………….. 8
4.4 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA ĐƢỜNG DÂY…………………………………………….10
4.4.1 CÁC ĐẶC TÍNH SỬ DỤNG Ở CHẾ ĐỘ XÁC LẬP………………………….10
4.4.1.1 Sử dụng tải thích hợp…………………………………………………………...10
4.4.1.2 Đặc tính khi vận hành không tải……………………………………………….12
4.4.2 TỔN THẤT CÔNG SUẤT VÀ TỔN THẤT ĐIỆN ÁP………………………...13
4.4.2.1 Tổn thất công suất………………………………………………………………13
4.4.2.2. Tổn thất điện áp………………………………………………………………...13
4.5 XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM…………..……………………………...14
4.5.1 Giới thiệu các modules đƣợc xây dựng………………………………………….14

4.5.2 Tỷ lệ và an toàn trong thí nghiệm……………………………………………….15
4.5.3 Module đƣờng dây…………………………………………………………….…..15
4.5.4 Tụ đƣờng dây………………………………………………………………….…..18
4.5.5 Tải thuần trở………………………………………………………………….…..19
4.5.6 Tải thuần cảm………………………………………………………………….….20
4.5.7 Tải thuần dung…………………………………………………………………...21
4.6 BÀI TẬP THÍ NGHIỆM……………………………………………………….…..22
4.6.1 Thí nghiệm ở chế độ không tải…………………………………………………...22
4.6.2 Thí nghiệm ở chế độ tải thuần trở……………………………………………….24
4.6.3 Thí nghiệm ở chế độ tải cảm - điện trở………………………………………….26
4.6.4 Thí nghiệm ở chế độ tải dung - trở……………………………………………...28
4.6.5 Thí nghiệm ở chế độ tải cảm - dung - trở………………………………….……30


4.6.6 THÍ NGHIỆM Ở CHẾ ĐỘ NGẮN MẠCH BA PHA……………………….…32
4.6.7 THÍ NGHIỆM NGẮN MẠCH KHÔNG ĐỐI XỨNG………………………...34
4.6.7.1 Thí nghiệm ngắn mạch hai pha có và không có chạm đất…………………..35
4.6.7.2. Thí nghiệm ngắn mạch một pha……………………………………………...35
4.7 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM…………………………………………………………35
4.7.1 Thí nghiệm ở chế độ không tải…………………………………………………..35
4.7.2. Thí nghiệm ở chế độ tải thuần trở……………………………………………... 36
4.7.3 Thí nghiệm ở chế độ tải cảm - điện trở………………………………………….37
4.7.4 Thí nghiệm ở chế độ tải dung - trở…………………………………………...…38
4.7.5 Thí nghiệm ở chế độ tải cảm - dung - trở………………………………………39
4.7.6 THÍ NGHIỆM Ở CHẾ ĐỘ NGẮN MẠCH BA PHA………………………….40
4.7.7 THÍ NGHIỆM NGẮN MẠCH KHÔNG ĐỐI XỨNG…………………….……40
4.7.7.1 Thí nghiệm ngắn mạch hai pha có và không có chạm đất……………………40
4.7.7.2. Thí nghiệm ngắn mạch một pha………………………………………………41
D. KẾT LUẬN………………………………………………………………………….42
E. HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI……………………………………………42

F. TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………...43


1
A. THÔNG TIN CHUNG
1. Tên công trình: Nghiên cứu, thiết kế và thi công mô hình thí nghiệm đƣờng dây
truyền tải điện.
2. Lĩnh vực: Điện công nghiệp
3. Nhóm dự thi: Nguyễn Thới (0955.63.60.61), Nguyễn Hữu Trí (0909.377.664)
B. TÓM TẮT NỘI DUNG CÔNG TRÌNH
1. Tóm tắt nội dung
Cho đến nay, giáo dục được coi là quốc sách hàng đầu, các trường dạy nghề, trung
cấp chuyên nghiệp, cao đẳng, đại học được thành lập nên rất nhiều. Song song với vần đề này
là thiết bị, phương tiện dạy học và thực hành cần phải được trang bị thêm, đổi mới.
Công trình trình bày cách xây dựng và xây dựng các modules cho mô hình thí nghiệm
đường dây truyền tải điện để phục vụ cho công tác dạy học thực hành ngành điện công
nghiệp. Dựa vào bộ thí nghiệm này, sinh viên có thể áp dụng cho việc định tính và định lượng
các bài thí nghiệm trên đường dây truyền tải điện như kiểm tra tổn thất điện áp, tổn thất công
suất, tăng áp, ngắn mạch, mất pha, bù công suất phản kháng cũng như mất cân bằng tải. Nội
dung công việc cụ thể:
 Khảo sát, nghiên các sơ đồ đường dây truyền tải và các loại tải;
 Thiết kế và thi công module đường dây truyền tải;
 Thiết kế và thi công module tải thuần trở;
 Thiết kế và thi công module tải thuần cảm;
 Thiết kế và thi công module tải thuần dung;
 Thiết kế và thi công module tụ đường dây;
 Ghi nhận các thông số, số liệu thí nghiệm từ mô hình và giải thích.
 Lập bảng hướng dẫn chi tiết cho từng nội dung.
 Xây dựng các bài thực tập dựa trên mô hình đã thi công.
2. Kết quả đạt đƣợc

- Sản phẩm: bao gồm 6 modules:
STT
Tên sản phẩm
Số lượng
Module đường dây truyền tải;
1
1
Module tải thuần trở;
2
1
Module
tải
thuần
cảm;
3
1
Module
tải
thuần
dung;
4
1
Module tụ đường dây;
5
2
- Tài liệu: Các bài tập hướng dẫn thí nghiệm và kết quả thí nghiệm
3. Điểm mới - điểm sáng tạo
 Đề tài sử dụng các linh kiện và vật liệu có sẵn ở thị trường Việt Nam
 Các bộ tải cảm và cảm kháng trên đường dây được xây dựng tuyến tính
 Các modules được thiết kế đẹp, rõ ràng.

 Có các bộ phận bảo vệ như cầu chì, máy cắt có thể thay thế nhanh nếu bị hư hỏng.
 Có bộ phận giải nhiệt cho các linh kiện bên trong mô hình.
4. Hậu quả kinh tế - xã hội.
 Sản phẩm sử dụng các linh kiện và vật liệu có sẵn ở thị trường Việt Nam.
 Chi phí thực hiện và giá cả trên một modules rẻ rất hơn nhiều so với sản phẩm xuất xứ
từ nước ngoài nhưng chất lượng sản phẩm như nhau. Đây cũng chính là điểm cần nhấn
mạnh của đề tài.
5. Khả năng và triển vọng ứng dụng.
 Mở rộng sản xuất hàng loạt các modules để phục vụ cho các trường có cùng nhóm
ngành.
 Lập bài tập hướng dẫn chi tiết tuỳ thuộc vào đối tượng học sinh – sinh viên.


2
C. MÔ TẢI NỘI DUNG CHÍNH CỦA ĐỀ TÀI
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hệ thống điện là bao gồm tập hợp tất cả các thiết bị điện dùng để sản xuất, biến đổi,
truyền tải, phân phối và tiêu thụ điện năng, tức là hệ thống điện bao gồm tất cả các nhà máy,
trạm biến áp, đường dây và các hộ tiêu dùng điện. Hệ thống điện là một bộ phận của hệ thống
năng lượng. Mỗi bộ phận cấu thành hệ thống điện được gọi là phần tử của hệ thống.
Mục đích chính của việc nghiên cứu, thiết kế và xây dựng hệ thống cung cấp điện là
truyền tải và phân phối điện năng với chất lượng tốt nhất cho các đối tượng tiêu thụ, đáp ứng
nhu cầu tiêu thụ liên tục, an toàn của họ. Điện năng được phát ra, truyền tải cho đến nơi tiêu
thụ phải trải qua nhiều cấp phân phối, mạng phân phối.
Mạng điện là tập hợp các trạm biến áp, các trạm phấn phối, đường dây trên không,
đường dây cáp.v.v… có nhiệm vụ tiếp nhận, biến đổi từ cấp điện áp này sang cấp điện áp
khác cho phù hợp và phân phối điện năng cho các hộ tiêu dùng điện. Cấu trúc của mạng điện
được phân loại như mạng điện hở, mạng điện kín, mạng điện hình tia, v.v…
Các quá trình vật lý diễn biến trong hệ thống rất phức tạp, cần tìm hiểu, tính toán kỹ
lưỡng để có thể giải thích, đưa ra phướng án thiết kế, sửa chữa trong công tác vận hành và

quản lý hệ thống điện. Trong giảng đường và cũng như thực tế, không thể nào nhìn nhận tất
cả các quá trình xảy ra trên hệ thống bằng tri giác. Trên đường dây dẫn được đặc trưng bởi
các thông số như: điện trở, điện kháng, điện dung và điện dẫn rải đều trên toàn bộ dây dẫn.
Việc tính toán toán chính xác mức độ ảnh hưởng của các thông số đường dây cũng như của
máy biến áp trở nên phức tạp, khó khăn. Khi thiết kế, việc tính toán là rất quan trọng. Do vậy,
việc mô hình hóa các phần tử của hệ thống điện góp phần đơn giản hóa việc tính toán, lựa
chọn các thiết bị trong mạng. Nhờ việc mô hình hóa các phần tử nên đơn giản và dễ dàng hơn
trong việc tính toán tổn hao công suất, điện năng, độ sụt áp hay tăng áp. Những phần tử chính
của mạng điện bao gồm đường dây, máy biến áp, phụ tải và nguồn. Sơ đồ tương đương của
các phần tử trong hệ thống điện là sơ đồ thay thế cho các quá trình vật lý xảy ra trong mạng
điện, dùng trong quá trình tính toán lưới cung cấp điện, trên đó người ta đã thay thế các phần
tử của lưới điện bằng các đại lượng đặc trưng cho quá trình truyền tải điện. Từ sơ đồ, chúng ta
xây dựng các công thức tính toán cho các thông số, công thức tính toán tổn thất…Sơ đồ thay
thế bao gồm sơ đồ thay thế đường dây tải điện, sơ đồ thay thế máy biến áp.
Mô hình là phương tiện trực quan nhằm cung cấp những kinh nghiệm giả tạo qua việc
phản ánh cấu trúc không gian thực tế của đối tượng cần nghiên cứu. Từ đó đi sâu vào nghiên
cứu bản chất bên trong sự vật. Hệ thống điện là một hệ thống lớn về qui mô, phức tạp về việc
kết nối. Mô hình hệ thống điện thuộc loại mô hình phỏng tạo, tức là được kết hợp giữa một số
vật thực và một số bộ phận biến đổi để nhấn mạnh những đặc điểm hoạt động của hệ thống.
Trong mô hình hệ thống điện này thể hiện các phần tử chính tướng ứng với các thông số của
nó. Dựa vào mô hình, chúng ta có thể thí nghiệm để thấy rõ các quá trình xảy ra như tổn thất
công suất, tổn thất điện áp, độ tăng áp; các sự cố có thể xảy ra như ngắn mạch, mất pha, mất
cân bằng tải; các trường hợp khác như bù công suất phản kháng.
Nhờ vào sử dụng sơ đồ thay thế cũng như thí nghiệm trên mô hình giả tạo, chúng ta
mới có nắm vững lý luận và thực tiễn. Từ việc tính toán đó, chúng ta dễ dàng đưa ra phương
án thiết kế và lắp đặt tốt nhất cả về kỹ thuật, kinh tế, giá thành …và tìm ra các biện pháp làm
giảm bớt tổn thất, điều chỉnh điện áp, lựa chọn dây dẫn, thiết bị, nâng cao năng suất, hiệu quả
để đáp ứng nhu cầu tối đa về điện cho nhân dân.
Chính vì nhũng yếu tố trên, nhóm nghiên cứu đi đến quyết định tìm hiểu về sơ đồ
tương đương và thiết kế, thi công mô hình của hệ thống truyền tải phục vụ cho thí nghiệm.

2. MỤC TIÊU, NHIÊM VỤ CỦA CÔNG TRÌNH.
2.1 Mục tiêu:
Đề tài tập trung nghiên cứu, thiết kế và thi công mô hình đường dây truyền tải nhằm phục
vụ cho việc huấn luyện sinh viên ngành điện hình thành kỹ năng vận hành đường dây truyền


3
tải điện. Bên cạnh đó, bộ thí nghiệm giúp người vận hành có thao tác đúng đắn, hiều rõ các
quá trình vật lý xảy ra trên đường dây đang hoạt động cũng như các sự cố có thể gặp. Từ đó
có thể áp dụng cho việc định tính và định lượng các bài toán về tổn thất điện áp, tổn thất công
suất, tăng áp, ngắn mạch, mất pha, bù công suất phản kháng cũng như mất cân bằng tải.
Ngoài mô hình dùng làm bộ thí nghiệm còn có bộ tài liệu hướng dẫn cách thực tập, làm
bài thí nghiệm. Tài liệu này có thể dùng cho việc nghiên cứu và huấn luyện sinh viên trong
quá trình thực tập môn cung cấp điện. Đồng thời có thể làm tài liệu tham khảo cho các đề tài
nghiên cứu thi công các thiết bị dạy học cho học sinh – sinh viên.
2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu:
- Tìm hiểu các kiến thức về đường dây truyền tải, phân phối, cáp ngầm.
 Các công thức tính toán có liên quan.
 Các quá trình vật lý trên hệ thống điện, xác định các thông số cần thiết.
- Xây dựng mô hình đường dây truyền tải và các phép tính có liên quan;
- Thiết kế và thi công mô hình đường dây, tụ đường dây, tải R, L, C;
- Tìm hiểu các quan hệ giữa các đại lượng vật lý trên đường dây tải điện thô qua các
khảo sát thực nghiệm trên mô hình đường dây;
- Kiểm tra độ sụt áp, tổn thất công suất và các hiệu ứng thay đổi tải;
- Thí nghiệm ngắn mạch và bù công suất phản kháng;
- Xây dựng các bài tập thí nghiệm, thực hành:
 Lắp đặt thí nghiệm theo sơ đề chỉ dẫn;
 Đo mức sụt áp, tổn thất công suất tác dụng và phản kháng trên đường dây;
tương ứng với chiều dài đường dây và tải;
 Các đặc tuyến điện áp cuối đường dây theo các loại tải có tính thuần trở, tính

kháng và tính dung;
 Các bảng câu hỏi và nhận xét.
3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Việc nghiên cứu, thiết kế và thi công mô hình hệ thống điện truyền tải và phân phối
thuộc loại nghiên cứu ứng dụng bởi lẽ việc nghiên cứu nhằm tạo ra sản phẩm nhằm phục vụ
cho thí nghiệm trong đào tạo nguồn nhân lực. Toàn bộ nội dung đề tài được nghiên cứu theo
phương pháp tham khảo tài liệu và phương pháp thực nghiệm. Quá trình nghiên cứu theo
trình tự sau:
 Phân tích và tổng hợp lý thuyết: tìm hiểu các quá trình thông số của các phần tử
trong hệ thống cũng như các công thức tính toán liên quan.
 Hình thành các thông số ứng với một số giá trị thực tế: từ các công thức tính toán
các giá trị của các thông số như điện trở, điện kháng, điện dẫn, dung dẫn của
đường dây cũng thông số tải.
 Tiến hành xác định vật tư cần thiết: từ thông số trên, tiến hành tính toán dòng và
áp định mức. Từ đó, chọn dây dẫn, vật liệu sắt từ, board…
 Xây dựng mô hình: từ vật liệu tiến hành xây dựng mô hình đồng thời với việc thử
nghiệm.
 Kiểm tra hoạt động của mô hình, vận hành thử.
 Tiến hành thí nghiệm.
 Từ số liệu đã thí ngiệm, phân tích và giải thích bằng lý truyết đã tìm hiểu trước.
 Xây dựng bài tập thí nghiệm.
4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
4.1 Ý nghĩa của việc xây dựng sơ đồ .


4
Những phần tử chính của mạng điện bao gồm đường dây, máy biến áp, phụ tải và
nguồn. Sơ đồ tương đương của các phần tử trong hệ thống điện là sơ đồ thay thế cho các quá
trình vật lý xảy ra trong mạng điện, dùng trong quá trình tính toán lưới cung cấp điện, trên đó
người ta đã thay thế các phần tử của lưới điện bằng các đại lượng đặc trưng cho quá trình

truyền tải điện. Sơ đồ thay thế bao gồm sơ đồ thay thế đường dây tải điện, sơ đồ thay thế máy
biến áp.
Mô hình là phương tiện trực quan nhằm cung cấp những kinh nghiệm giả tạo qua việc
phản ánh cấu trúc không gian thực tế của đối tượng cần nghiên cứu. Từ đó đi sâu vào nghiên
cứu bản chất bên trong sự vật. Hệ thống điện là một hệ thống lớn về qui mô, phức tạp về việc
kết nối. Mô hình hệ thống điện thuộc loại mô hình phỏng tạo, tức là được kết hợp giữa một số
vật thực và một số bộ phận biến đổi để nhấn mạnh những đặc điểm hoạt động của hệ thống.
Việc truyền tải và phân phối trong hệ thống điện với đích cuối cùng là mạng điện đến
những nơi tiêu thụ với hiệu quả tốt nhất. Khi xây dựng, thiết kế hệ thống cần tính toán rất kỹ
lưỡng và chính xác. Các quá trình vật lý xảy ra trong hệ thống mạng phức tạp. Trên đường
dây dẫn được đặc trưng bởi các thông số như: điện trở, điện kháng, điện dung và điện dẫn rải
đều trên toàn bộ dây dẫn. Việc tính toán toán chính xác mức độ ảnh hưởng của các thông số
đường dây cũng như của máy biến áp trở nên phức tạp, khó khăn. Khi thiết kế, việc tính toán
là rất quan trọng. Do vậy, việc mô hình hóa các phần tử góp phần đơn giản hóa việc tính toán,
lựa chọn các thiết bị trong mạng. Nhờ việc mô hình hóa các phần tử nên đơn giản và dễ dàng
hơn trong việc tính toán tổn hao công suất, điện năng, độ sụt áp… Bởi lẽ, việc nghiên cứu,
tính toán các tổn thất rất quan trọng vì có nắm vững lý luận mới có thể tính toán được các tổn
thất ấy. Cũng nhờ đó mà việc tính toán tổng công suất phụ tải, xác định nhu cầu điện cũng
như khi tính toán thiết kế; lựa chọn dây dẫn, thiết bị; điều chỉnh điện áp.v.v…chính xác và
phù hợp nhất. Từ việc tính toán đó, chúng ta dễ dàng đưa ra phương án thiết kế và lắp đặt tốt
nhất cả về kỹ thuật, kinh tế, giá thành …và tìm ra các biện pháp làm giảm bớt tổn thất, nâng
cao năng suất, hiệu quả - một vấn đề cấp bách, thời sự đối với người thiết kế cũng như người
quản lý vận hành lưới điện - để đáp ứng nhu cầu tối đa về điện cho nhân dân.
4.2 Các giả thiết
Các giả thiết trong khi tính toán cũng như khi vận hành hệ thống:
 Cấp điện áp 380 kV trở xuống;
 Chiều dài đường dây không quá 400 km.
 Mạng điện 3 pha ;
 Mạng hình tia, hở;
 Một cấp điện áp nguồn;

4.3 Các thông số của dây dẫn
4.3.1 Sơ đồ mạch tƣơng đƣơng
Mạng điện 3 pha thực với 3 dây pha và 1 dây trung tính được biểu diễn như hình 3.a.
Upn

Pha A

Dây trung tính
Upn

Upn Pha B Up
Pha C

a)

Up

Tải
Up


5
Upn

Pha A

Nguồn

Up

Tải

Dây trung tính

b)
Nguồn Upn

Up Tải

c)
Hình 1. Các sơ đồ tương đương hệ thống điện 3 pha 4 dây.
Trong chế độ đối xứng, điện áp 3 pha ở nguồn như nhau. Nếu phụ tải đối xứng thì
dòng điện trong dây trung tính coi như bằng 0, dòng điện I trên 3 pha đều bằng nhau. Vì vậy,
tổn thất điện áp, tổn thất công suất và tổn thất điện năng trên mỗi pha đều bằng nhau và điện
áp trên phụ tải cũng bằng nhau.
Vì tính đối xứng như vậy nên khi tính toán chỉ cần 1 pha là đủ . Do đó, sơ đồ thay thế
chỉ cần một pha như hình 1.b. Khi tính toán tổn thất cũng không vẽ thêm dây trung tính vì
trên dây trung tính dòng điện bằng 0, không có tổn thất điện áp và công suất trên đường dây
này nên cũng có thể bỏ qua dây trung tính trong sơ đồ như hình 1.c.
Trên đây là sơ đồ đơn giản mô tả hệ thống mạng lưới. Thực chất các quá trình vật lý
xảy ra trên đường dây rất phức tạp. Hơn thế nữa, mạng điện thực tế không thể đối xứng như
mong muốn. Do ảnh hưởng của trường điện từ xung quanh dây dẫn cũng như vật liệu tạo nên
dây dẫn mà trên đường dây xuất hiện điện kháng, điện dung và điện trở.. Các thông số này
của dây dẫn rải đều trên toàn chiều dài đường dây. Nếu cứ để như thế mà toán thì rất khó
khăn. Trong quá trình nghiên cứu cần phải mô hình hóa và xây dựng một sơ đồ tương đương,
sơ đồ tính toán có đủ các phần tử phục vụ cho việc nghiên cứu, mô phỏng, tính toán các giá trị
cần thiết.
Mô hình đầy đủ của đường dây được đặc trưng bởi các thông số như điện trở, điện
kháng, điện dung và dung dẫn. Sơ đồ tương đương có thể hiện các thông số đường dây được
thể hiện ở hình 2. Khi một đường dây truyền tải vận hành với dòng điện ba pha, tổn hao rò

(G) và sự phân bố các thuộc tính điện cảm và điện dung ( L và C), cũng như điện trở của vật
liệu dẫn điện (R) phải được đưa ra xem xét. Vì những giá trị này phân bố dọc theo đường dây
truyền tải dưới dạng một trị số trên đơn vị chiều dài, sơ đồ mạch tương đương sau với những
thành phần mạch tập trung chỉ áp dụng cho đường dây ngắn, trung bình.
L1
CL
L2
CL
L3
G
N

CE
G

CE
G

CL

R

L

R

L

R

L

RE

LE

CE

Hình 2. Sơ đồ mạch tương đương của một đường dây truyền tải ba pha 4 dây có thể
hiện các thông số đường dây.
Giá trị điện dẫn rò G gây ra tổn hao rò do giới hạn khả năng cách điện của cáp hoặc
dòng rò dọc theo cách điện và tổn hao vầng quang trên bề mặt các tao dây của đường dây
truyền tải trên không. Điện cảm đường dây L gồm từ trường hình thành dưới dạng dòng điện
ở tần số định mức. Điện kháng cảm ứng cùng độ lớn đối với cáp và đường dây dẫn trên
không; giá trị ở đường dây trên không có phần cao hơn, vì khoảng cách dây dẫn lớn hơn.
Các điện dung đường dây CE và CL mô tả từ trường được tạo ra khi có một điện áp ở
tần số định mức đặt vào. Vài điểm khác nhau cơ bản phải được đưa ra xem xét ở đây :


6
Điện dung của cáp lớn hơn đáng kể so với đường dây trên không, vì khoảng
cách của các dây dẫn gần với nhau, và vì vật liệu cách điện. Điều này giới hạn nghiêm ngặt
các khu vùng mà cáp có thể được sử dụng.
Hơn nữa, câu hỏi liệu mỗi dây dẫn trong cáp có màn chắn riêng (cáp một dây dẫn)
hoặc liệu có phải tất cả ba dây dẫn có một màn chung (cáp ba dây dẫn), có một vai trò quan
trọng về phương diện này. Mặt khác, ở những đường dây điện lực trên không, điện dung giữa
các dây dẫn (CL) và điện dung giữa dây dẫn và đất (CE) luôn luôn hiện hữu (xem hình 2).
Theo lý thuyết điện dung giữa những dây dẫn cũng thường được coi như những điện dung
ghép nối.
Trong thực tế, người ta cố gắng để xây dựng các điện dung đối xứng ở các đường dây

truyền tải trên không. Khi ba dây dẫn được bố trí theo dạng tam giác đều, các khoảng cách
giữa chúng bằng nhau, nhưng khoảng cách từ mỗi dây dẫn đến mặt đất thì không. Sự đối
xứng đối với đất có được bằng cách hoán vị tuần hoàn các dây dẫn ở các khoảng nhất định.
Trong trường hợp sự cố không đối xứng (và tải cũng không đối xứng) dòng điện không chỉ
chạy qua ba dây dẫn ở phía ngoài mà còn chạy ngược về đường dây qua đất và có thể qua một
dây tiếp đất hoặc lớp vỏ bọc cáp truyền dẫn. Đường dây về này có đặc tính của một điện trở
cảm ứng. Trong sơ đồ mạch tương đương ở hình 2 nói về đường dây về đất được đại diện bởi
một điện trở RE và điện cảm LE.
Việc xác định những giá trị điện của một đường dây qua tính toán thì rất phức tạp, như
vật liệu dây dẫn, hình dạng hình học và trong vài trường hợp, vật liệu cách điện bao gồm các
phương trình. Dưới đây giải thích sự tồn tại và trình bày các xác định các thông số đặc trưng
của đường dây.
4.3.2 Sự tồn tại các thông số
Thông số của dây dẫn đặc trưng cho quá trình vật lý xảy ra trong dây dẫn khi có điện
áp xoay chiều đặt trên dây dẫn hoặc khi có dòng điện xoay chiều đi qua. Mô hình đầy đủ
đường dây phân phối khi có điện áp hoặc dòng điện xoay chiều đi qua được đặc trưng bởi các
thông số như: điện trở, điện kháng, điện dung và điện dẫn ứng với 4 quá trình vật lý xảy ra
trên dây dẫn.
1- Dây dẫn phát nóng do hiệu ứng Joule. Một phần công suất qua lưới tải bị mất để
làm nóng dây dẫn và một phần điện áp cũng bị tổn hao do hiện tượng này. Quá trình này được
đặc trưng bởi điện trở của dây dẫn r0.
2- Dòng điện xoay chiều gây ra từ trường tự cảm của từng dây dẫn và hổ cảm giữa
các dây dẫn với nhau. Từ trường gây ra tổn thất công suất phản kháng và tổn thất điện áp và
được đặc trưng bởi điện kháng x0 .
3- Điện áp xoay chiều gây ra điện trường giữa các dây dẫn và giữa các dây dẫn với
đất vì giữa các dây dẫn với nhau và giữa các dây dẫn và đất có sự chênh lệch điện áp tương
đối lớn xem như các bản của một tụ điện. Điện trường này gây ra dòng điện điện dung có tác
dụng làm triệt tiêu một phần dòng điện cảm (của phụ tải) chạy trong dây dẫn. Quá trình này
được đặc trưng bởi dung dẫn b0 hoặc là công suất phản kháng dung tính q0 (kVar/km) của
đường dây, công suất này có giá trị đáng kể ở các đường dây có điện áp định mức từ 110 kV

trở lên.
4-Điện áp cao gây trên bề mặt dây dẫn cường độ điện trường, nếu cường độ điện
trường này lớn hơn một mức nào đó sẽ gây ion hóa không khí quanh dây dẫn gọi là hiện
tượng "vầng quang". Vầng quang điện làm tổn thất một phần điện năng gọi là tổn thất vầng
quang.
Điện áp cao cũng gây ra dòng điện rò trên cách điện của cáp và trên bề mặt cách điện
khác làm tổn thất một phần điện năng. Các tổn thất này được đặc trưng bởi điện dẫn g0 .
Điện dẫn g0 chỉ được tính khi đường dây điện có điện áp định mức từ 330 kV trở lên
vì điện áp thấp hơn nên tổn thất vầng quang và rò điện rất nhỏ.
Các thông số của dây dẫn rải đều trên toàn độ dài của dây.


7

Hình 3. Đường dây cao áp
4.3.3 Tính toán các giá trị thông số
- Điện trở của dây dẫn.
Điện trở đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của một vật dẫn. Khi dòng điện
một chiều đi qua dây dẫn, thì dòng điện được phân bố đều trên toàn tiết diện dây. Do đó điện
trở tác dụng của của 1 km dây dẫn ở nhiệt độ tiêu chuẩn ở 200C được xác định theo biểu thức:



1000
(  / km).
(1)
F  .F
Trong đó:  :điện trở suất (  .mm2/km).
 :điện dẫn suất của dây dẫn (m/  mm2).
F :tiết diện dây dẫn (mm2).

Điện trở thay đổi theo nhiệt độ, khi nhiệt độ môi trường khác 200C thì điện trở có giá trị :
Rt = r0 [1 +  (t -20)] (  /km).
(2)
Trong đó : r0 :điện trở ở nhiệt độ tiêu chuẩn (  /km).
 :hệ số nhiệt của điện trở (C-1).
Đối với các dây đồng và nhôm  = 0,004(1/ 0C).
Điện trở tác dụng của dây dẫn đối với dòng điện xoay chiều lớn hơn điện trở đối với
dòng điện một chiều. Đó là do hiệu ứng bề mặt của dòng điện xoay chiều. Nhưng đối với
dòng điện xoay chiều ở tần số 50 Hz và với dây dẫn kim loại màu thì sự khác nhau đó không
đáng kể. Vì vậy có thể lấy điện trở của dòng điện xoay chiều bằng điện trở của dòng điện một
chiều. Điện trở của dây dẫn có thể tra bảng điện trở của các loại dây dẫn.

r0 =



- Cảm kháng của đường dây.
Dây dẫn tải điện xoay chiều, xung quanh mỗi sợi dây xuất hiện từ trường xoay chiều,
có từ thông biến đổi nên phải xét đến độ tự cảm L. Dây dẫn của ba pha đặt gần nhau nên có
hỗ cảm M. Như vậy ta phải nhắc đến cảm kháng x của đường dây.
Tùy theo cách bố trí dây mà việc tính toán cảm kháng khác nhau.
Điện cảm trung bình trên một kilômét chiều dài đường dây ba pha được xác định
theo công thức:
 
D r
L0  0 [  4 ln( tb )].103 , (H/km).
(3)
8  0
r
 = 2  f.

Trong đó:
Dtb: là khoảng cách trung bình hình học giữa các pha (mm).
r: bán kính của dây dẫn (mm).
 0 : độ dẫn từ của không khí,  0 = 4  .10-7 (H/km).
 :hệ số từ dẫn của vật liệu chế tạo dây dẫn. Đối với kim loại màu, độ dẫn
từ của chúng không thay đổi và được lấy bằng độ dẫn từ của không khí (    0 ).


8
- Điện dung của dây tải điện ba pha đối xứng (điện dẫn phản kháng ).
a
D

D

b

D

c

Hình 4. Khoảng cách giữa các dây pha
Tương tự như trường hợp đường dây một pha, điện dung giữa dây pha và dây trung tính được
tính:
0, 0242
Can = CE =
(  F/km).
(4)
D
lg( )

r
4.3.4 Sơ đồ thay thế các phân tử
Khi thiết kế, lắp đặt, người thực hiện cần tính toán kỹ lưỡng để thiết lập được các
phương án tối ưu cả vế kinh tế, kỹ thuật như chọn dây dẫn, tính tổn hao công suất…. Muốn
vậy, ta phải có sơ đồ thay thế của dây dẫn.
Bất cứ hệ thống điện nào khi vận hành đều mong muốn chúng làm việc ở chế độ đối
xứng, ba điện áp và dòng bằng nhau và lệch 1200 trong vận hành bình thường. Như vậy, điện
áp, dòng điện cũng như tổn thất ở mỗi pha đều bằng nhau về độ lớn. Chính vì vậy, chúng ta
sử dụng mô hình một pha thay cho 3 pha.
Theo lý thuyết bốn cực, hệ thống này được xem như một hình Π - chuẩn đối xứng.
Chú ý rằng điện áp pha cũng luôn luôn được thể hiện trong một pha, ví dụ điện áp xuất hiện
giữa một pha và đất.
Tất cả các giá trị công suất tính toán cho theo một pha phải được nhân bởi một hệ số
ba chuyển chúng về hệ thống ba pha. Điện trở và điện cảm của một đường dây do số lượng
đưa ra R, G và L, như trong sơ đồ mạch tương đương ba pha. Điện dung vận hành C = C B
được giới thiệu ở đây như một số lượng tương đương để bao gồm những điện dung giữa các
dây dẫn và giữa dây dẫn và đất (Xem hình 2).
Điện dung vận hành cần phải có cùng hiệu quả như hai điện dung nói trên, ví dụ, cần
phải tiêu thụ cùng công suất phản kháng. Với điện dung CE và CL trong sơ đồ mạch tương
đương ba pha và yêu cầu công suất bằng nhau trong cả hai, ứng dụng phương trình sau :
C = CB = CE + 3.CL
(5)
Điện dung vận hành và độ dẫn điện ngang trong sơ đồ mạch tương đương một pha
được chia bằng nhau giữa điểm đầu và điểm cuối của đường dây, để tránh thêm nút ở phần
giữa đường dây.
Như đã nói trước đó, điện trở, độ dẫn điện ngang, điện cảm và điện dung trong thực tế
phân bố trên toàn bộ chiều dài của đường dây dưới dạng trị số trên một đơn vị chiều dài (trị số
trên đơn vị chiều dài đã cho có thể thay đổi theo những tác động bên ngoài). Để tạo ra một mô
hình chính xác, thật cần thiết để hình thành một đường dây với chiều dài l từ một số lượng
phần tử vô hạn với chiều dài vi phân dl. Các tính toán này rất cần thiết cho tính toán chính xác

đường dây truyền tải dài. Tuy nhiên, trong trường hợp này thì có thể giảm sự thể hiện phức
tạp khi tính toán các thông số đường dây.
Các thông số của dây dẫn rải đều trên toàn chiều dài đường dây. Nếu cứ để như thế
mà toán thì rất khó khăn. Vì thế với các đường dây cao áp không quá dài đến 300 km và
đường dây trung, hạ áp người ta thay các thông số rải này bằng các thông số tập trung tương
ứng. Các thông số là: R, X, G, B, tổng trở và tổng dẫn của đường dây được tính như sau:


9


R = r0.l,

X = x0.l

Tổng trở: Z  R  jX .


B = b0.l G = g0.l
Tổng dẫn: Y  G  jB .
(6)
Trong đó :
l : độ dài đường dây (km).
G : điện dẫn của đoạn đường dây.
B : dung dẫn của đoạn đường dây.
r0 : điện trở của đường dây trên một đơn vị chiều dài (Ω/km).
x0 : cảm kháng đường dây trên một đơn vị chiều dài (Ω/km).
b0:dung dẫn của đường dây trên một đơn vị chiều dài (Ω/km).
g0: điện dẫn của đường dâytrên một đơn vị chiều dài (Ω/km).
Tổng dẫn được chia đôi đặt hai bên tổng trở.

Để tránh tính toán phức tạp, thường sử dụng bảng tham khảo, gồm dữ liệu thông
thường cho một kilômet chiều dài đường dây cho hầu hết các cấu trúc đường dây trên không
và cáp.
Tùy theo giá trị thực tế của thông số ở mỗi lưới điện mà sử dụng sơ đồ thay thế khác
nhau. Sơ đồ thay thế phải làm dễ dàng tính toán, đồng thời độ chính xác chấp nhận được, với
sai số cho phép.
Đối với đường dây với điện áp đến 110 kV và cao hơn, có độ dài không lớn lắm,
đường dây trên không đến 400km, đường dây cáp đến 50km, ta có thể dùng các thông số tập
trung. Sơ đồ thay thế tiện lợi nhất là sơ đồ hình  , trong đó G và B thường được chia làm
đôi, một nữa tập trung ở đầu và một nữa ở cuối đường dây (hình 5a ).
Đối với đường dây mạng điện cung cấp ( mạng khu vực), điện áp 110 – 220 kV, đã
chú ý đến tiết diện tối thiểu hạn chế vầng quang điện, nên trên sơ đồ thay thế thường bỏ qua
tham số điện dẫn G (hình 5b ). Thành phần G chỉ tính cho đường dây có điện áo rất cao từ
330 kV trở lên. Trên hình b, thay vì tại vị trí vẽ B/2, ta vẽ mũi tên đặc trưng cho công suất
phản kháng Qc/2 cung cấp cho mạng (do dòng điên điện dung của đường dây sinh ra).
1

R

G/2

X

2

G/2

B/2

1

R

B/2

B/2

a)
1

R

X

2

B/2

b)
X

2

1

c)

R

2

d)

Hình 5.
Đối với đường dây của mạng điện phân phối (mạng điện địa phương), vì điện áp thấp
(U  35 kV), công suất nhỏ, ta có thể bỏ qua ảnh hưởng của G và B (hình 5c).
Đối với đường cáp 6 – 10 kV và thấp hơn, vì trị số cảm kháng rất nhỏ thường bỏ qua,
do đó sơ đồ thay thế đơn giản chỉ có thuần điện trở R. Đối với đường dây mạng một chiều, vì
xo và ro đều bằng không nên sơ đồ thay thế cũng thuần điện trở và có sơ đồ thay thế ở hình
5d.
4.4 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA ĐƢỜNG DÂY
4.4.1 CÁC ĐẶC TÍNH SỬ DỤNG Ở CHẾ ĐỘ XÁC LẬP.
4.4.1.1 Sử dụng tải thích hợp


10

R

U1 i1 1
i10

X

2 i2

i12

B/2

B/2

U2

i20

Hình 6. Sơ đồ thay thế đường dây 3 pha.
Xét mạng điện đơn giản có điện áp Ud  220 kV và các đường dây có chiều dài l  250 - 300
km.
Xét đường dây 3 pha đối xứng có một phụ tải như hình 6. Trong đó:


Dòng điện đầu đường dây I1 ;


Dòng điện cuối đường dây (dòng điện phụ tải) I 2 ;


Dòng điện chạy trên đường dây I12 ;


Dòng điện dung ở đầu đường dây I10 ;


Dòng điện dung ở cuối đường dây I 20 ;




Điện áp đầu đường dây U1 , điện áp cuối đường dây U 2 ;





Tổng trở và tổng dẫn của đường dây Z  R  jX , Y  jB .
- Tải mang tính cảm: - 900 < φ2 < 00
Để đơn giản khi tính, chúng ta sử dụng dòng điện và điện áp là các giá trị pha, sau
khi tính toán xong mới chuyển về giá trị dây. Tính toán dựa vào dòng điện phụ tải.




Giả sử rằng điện áp ở cuối đường dây U 2 = const ( U 2  U 2 00 ). Do vậy, dòng điện và điện
áp ở cuối đường dây đã biết và tính chế độ được tính từ cuối đến đầu đường dây.
Dòng điện dung ở cuối đường dây được tính:

1 
(7)
I20  j U 2P B ,
2


Trong đó U 2p là điện áp pha ở cuối đường dây.
Dòng điện chạy trên đường dây có giá trị:






I12  I 2  I 20 ,
Điện áp pha ở đầu đường dây được xác định theo công thức sau:














U1P  U 2P  I12 Z  U 2P  I12 R  jI12 X ,
Dòng điện dung ở đầu đường dây được tính theo biểu thức:

1 
I10  j U1P B ,
2
Dòng điện ở đầu đường dây:






(8)

(9)
(10)

(11)
I1  I12  I10 ,
Quan hệ giữa dòng điện và điện áp ở hai đầu dây được biễu diễn bằng đồ thị vector như hình
7. Đồ thị được xây dựng theo các công thức trên.


11

+j
U1P



I1

I12Z

0

φ2

U2P

I10

I12

jI12X
+1

I12R

I20

I2

Hình 7. Đồ thị vectơ khi tải mang tính cảm




Giả sử rằng điện áp ở cuối đường dây I1 = const ( U 2p  U 2p 00 ) và tải có tính chất điện cảm.


Trước tiên xây dựng đồ thị vector dòng điện và điện áp ở cuối đường dây. Điện áp U 2p trùng




với trục thực, dòng điện I 2p chậm pha so với U 2p một góc φ2 nào đó. Dòng điện dung cuối










đường dây I 20 sớm pha so với U 2p một góc 900. Dòng điện I12 bằng tổng vector I 2 và I 20 .
Điện áp rơi trên điện trở R của đường dây cùng pha với dòng điện tương ứng. Tức là trên đồ








thị ta thấy vector I12 R song song với I12 . Vector jI12 X vượt trước vector dòng điện I12 một








góc 900. Vector điện áp U1p ở đầu đường dây bằng tổng các vector U 2p , I12 R và jI12 X .




Dòng điện dung đầu đường dây I10 sớm pha so với U1p một góc 900. Dòng điện ở đầu đường






dây I1 bằng tổng hai vector I12 và I10 .
Sau khi thành lập đồ thị vector như hình 7, ta thấy rằng mođun điện áp ở cuối đường dây nhỏ
hơn mođun điện áp ở đầu đường dây hay U 2p < U1p .
Để xác định điện áp dây, ta nhân 3 vào các giá trị điện áp pha.
Khi đó giá trị điện áp giữa các pha ở đầu đường dây là:














U1  U 2  3 I12 Z  U 2P  3 I12 R  3jI12 X
Phân tích tương tự cho các loại tải khác.
- Tải mang tính dung: 0 < φ2 < 900

+j

I1

I10
I20

I12

U1P
jI12X
I12Z

0

I2

φ2

(12)

I12R

U2P

Hình 8. Giản đồ vector khi tải mang tính dung.
- Tải thuần dung: φ2 = 900

+1


12
+j

jI20X

U1P
I10

I1

I20Z

I20R

I12 = I20 + I2
0

U2P

+1

Hình 9. Giản đồ vector khi tải thuần dung.
- Tải thuần trở: 0 < φ2 < 900

+j

U1P
jI20X

I10

I1

I20Z

I12

I20R
+1

U2P

I20

I2

Hình 10. Giản đồ vector khi tải thuần trở.
4.4.1.2 Đặc tính khi vận hành không tải


Trong trường hợp vận hành không tải, không tải ở cuối đường dây, tức là I 2 = 0. Do vậy, trên
đường dây chỉ có dòng điện dung.




Ta có: I 2 = I 20 ;










I1 = I12 + I10 = I 20 + I10 .
Khi đó, đồ thị vector quan hệ giữa dòng điện và điện áp khi không tải được xây dựng ở sơ đồ
hình 11.




Điện áp rơi trên các các phần tử R và X trên đường dây lần lượt là: I 20 R và j I 20 X.
+j

jI20X

U1P
I10

I1

I20Z

I20R

I20
0

U2P

+1

Hình 11. Giản đồ vector khi vận hành không tải.
Từ đồ thị vector hình 11, ta thấy rằng ở chế độ không tải mođun điện áp ở cuối đường dây lớn
hơn mođun điện áp ở đầu đường dây hay U 2p > U1p . Tức là trong chế độ không tải có xảy ra
hiện tượng tăng cao điện áp ở cuối đường dây. Như đồ thị trên, ta thấy sự gia tăng điện áp


phụ thuộc vào dòng điện dung I 20 ở cuối đường dây hay nói cách khác sự gia tăng điện áp là
do điện dung đường dây gây ra. Hiện tượng này thường xảy ra ở đường dây trên không có
điện áp từ 220 kV trở lên và các đường cáp điện có điện áp từ 110 kV trở lên.


13
4.4.2 TỔN THẤT CÔNG SUẤT VÀ TỔN THẤT ĐIỆN ÁP
4.4.2.1 Tổn thất công suất


Tổn thất công suất trong tổng trở Z bao gồm tổn thất công suất tác dụng trên R và tổn thất
công suất phản kháng trên X của đường dây.
Hình 12 dưới thể hiện các dòng công suất chảy trên các đường dây tương ứng.

R

U1 i1 1 S12a
S1

i10

X
i12

B/2

S12b 2 i2
B/2

U2
S2

i20

Hình 12. Sơ đồ thay thế đường dây truyền tải.


Công suất của tải (tại nút 2): S2  P2  jQ2 .
(13)
Công suất do điện dung ở cuối đường dây sinh ra (công suất điện dung của đường dây) được


1
xác định theo công suất sau:  jQC2  3I20 U 2p   j U 2 2 B .
(14)
2


Công suất sau tổng trở Z của đường dây:




S12b  S2  jQC2  P2  jQ2  jQ2C  P12b  jQ12b
Tổn thất công suất tác dụng trên R:
2
2
P12b
 Q12b
2
P12  3I12 R hay P12 
R;
U22
Tổn thất công suất phản kháng trên X:
P 2  Q2
2
Q12  3I12
X hay Q12  12b 2 12b X ;
U2
Tổn thất công suất trên trên đường dây:


(15)
(16)

(17)



2
2

2
 S12  P12  jQ12  3I12
Z  3I12
R  j3I12
X



hay  S12 

(18)

2
2
P12b
 Q12b
(R  jX) .
U22

(19)

4.4.2.2. Tổn thất điện áp
Điện áp giáng trên đường dây được tính:






 U  U1  U2





(20)


Theo công thức (32) ta thấy,  U  U1  U2 =









3 I12 Z  3 I12 R  3jI12 X

(21)



Hay  U  U d  j U n

(22)


Với Ud là thành phần dọc của điện áp (hình chiếu lên trục thực của vector  U )


U n là thành phần ngang của điện áp (hình chiếu lên trục ảo của vector  U )


14

+j
U1P
K

M

0

jΔUn

I12Z
ΔUd

N

U2P

jI12X
I12R

+1

H

Hình 13. Giản đồ vector khi tính tổn thất điện áp.
Ta có:












 U  3 I12 Z  3 I12 R  3jI12 X =


Với I12 

*

S12b
*



P12b  jQ12b
*

3 U2



3 I12 (R + jX);

;

(24)

3 U2




Khi đó:  U  3 I12 Z =

(23)



3 I12 (R + jX) =

3

P12b  jQ12b
*

(R + jX);

(25)

3 U2




Giả sử rằng điện áp ở cuối đường dây U 2 = const ( U 2  U 2 00 ).




P  jQ12b
Ta được:  U  3 I12 Z = 3 I12 (R + jX) = 12b
(R + jX).
(26)
U2
Ta lại có:
P12b  jQ12b
P R  Q12b X
P X  Q12b R
 j 12b
(R + jX) = 12b
= U d  j U n (47)
U2
U2
U2
Suy ra:
P R  Q12b X
P X  Q12b R
và U n = 12b
;

(27)
Ud = 12b
U2
U2
Đối với đường dây có điện áp Udđ ≤ 110kV thì thành phần ngang của điện áp giáng rất nhỏ .
Vì vậy có thể bỏ qua U n . Tổn thất điện áp trên đường dây lúc này bằng:
P R  Q12b X
U = Ud = 12b
U2

(28)

4.5 XÂY DỰNG MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM
4.5.1 Giới thiệu các modules đƣợc xây dựng
Nhiệm vụ chính trong đề tài này là nghiên cứu, thiết kế và thi công 6 mô hình sau:
STT
Tên module
Số lượng
1
Module đường dây 3 pha
1
2
Module tải thuần trở R 3 pha
1
3
Module tải thuần cảm L 3 pha
1
4
Module tải thuần dung C 3 pha
1

5
Module tụ đường dây
2


15
4.5.2 Tỷ lệ và an toàn trong thí nghiệm
Với mục đích mô hình hoá hệ thống điện ngoài thực tế để hiểu rõ hơn về các đặc tính
xảy ra của nó, trong mô hình thí nghiệm dòng và áp sẽ được giảm đến một giá trị an toàn với
một tỷ lệ nào đó. Bởi lẽ, giá trị điện áp thật không thể áp dụng trong thí nghiệm vì tính nguy
hiểm của nó cho người thí nghiệm cũng như thiết bị sử dụng trong mô hình.
Như vậy công suất dùng MW ( Mêgaoat : 106 W) tới GW ( Gigaoat : 109 W).
Tỉ lệ 1:1000 được sử dụng chung trong những sự thí nghiệm cho cả điện áp lẫn dòng; tỉ lệ
cho công suất là 1:1000000 tương ứng tới hai đại lượng.
Sau đây liệt kê những giá trị tương ứng trên:
Mạng thực tế
Mô phỏng thí nghiệm
1 kV
1V
1 kA
1A
1 MW
1W
1 MVA
1 VA
Trong khi thí nghiệm sử dụng tải 3 pha, vì mục đích an toàn cho thiết bị, các tải luôn được nối
hình sao Y. Tất cả vỏ thiết bị được nối song song vào dây đất PE và dây PE của tất cả thiết bị
khi thí nghiệm phải nối nối tiếp vào với nhau rồi nối về bộ phận máy cắt và nguồn.
4.5.3 Module đƣờng dây
Sơ đồ mạch tương đương này hữu hiệu cho việc trình bày những đặc trưng cơ bản của

đường dây trong vận hành. Mô hình được mô phỏng theo thông số của đường dây thực tế có
chiều dài 360 km. Dữ liệu như sau:
- Thông số cơ bản trên 1 kilômet chiều dài.
 Đường dây truyền tải trên không 380kV (Hệ thống 1) trên trụ treo, tiết diện ngang
4x240 / 40 mm2 dây nhôm/lõi thép.
- Dữ liệu Điện (trên đơn vị chiều dài):
STT

Giá trị

Tên
0

1

Điện trở thuần ở 20 C

R’ = 0,036 Ω/km

2

Điện cảm đường dây

L’ = 0,805 mH/km

3

Điện dung dây dẫn - dây dẫn

C’L = 2,78 nF / km

4
5

Điện dung dây dẫn - đất
Điện dung vận hành

CE ' = 5,556 nF / km
CB' = 13,889 nF / km

6

Trở kháng đặc tính

Zw = 240 Ω

7

Giới hạn nhiệt định mức

Sth = 1700 MVA

8

Điện trở thuần đường dây về

RE’ = 0,031 Ω/ Km

9

Điện cảm của đường dây về

LE’ = 0,694 mH / km

 Dữ liệu cho đường dây truyền trên không 110kV và cáp 110kV được cung cấp để so sánh.
- Đường dây truyền trên không 110 kV, tiết diện ngang 240/40 mm2 Nhôm / Thép
Dữ liệu điện (số lượng /đơn vị chiều dài):
STT
Tên
Giá trị
1

Điện trở thuần ở 200C

R’ = 0,126 Ω/km

2

Điện cảm đường dây

L’ = 1,25 mH/km

3

Điện dung vận hành

CB' = 9,34 nF / km


16

4

Trở kháng đặc tính

Zw = 366 Ω

5

Giới hạn nhiệt định mức

Sth = 135MVA

- Cáp 110kV, tiết diện ngang 185 mm2 dây đồng
Dữ liệu điện (số lượng /đơn vị chiều dài):
STT
Tên

Giá trị

1

Điện trở thuần ở 200C

R’ = 0,099 Ω/km

2

Điện cảm đường dây

L’ = 0,38 mH/km

3

Điện dung vận hành

CB' = 240nF / km

4

Trở kháng đặc tính

Zw = 40Ω

5

Giới hạn nhiệt định mức

Sth = 62MVA

- Thông số đường dây.
Mô hình đường dây truyền tải sử dụng những phần tử tập trung đóng vai như một đường dây
có điện áp 380 kV với ba độ dài khác nhau: 144 km, 216 km và 360 km.
Số liệu kỹ thuật như sau:
Chiều dài (km)
360
216
144
Chiều dài (%)
100
60

40
R (Ω)
13
8
5
L (mH)
290
174
116
C (µF)
5
3
2
Nhiều điện dung khác nhau có thể được nối và rời ra trong mạch bằng cách sử dụng
cầu nối qua, và những điện trở thuần khác nhau cũng như điện cảm được thực thi bằng cách
dùng cầu nối khác nhau.
Điện trở R được chọn là loại điện trở sứ tương ứng với các giá trị của nó.
Để bảo đảm những thuộc tính đối xứng của đường dây, những mạch tương tự được
thiết lập trên tất cả ba pha. Những kết nối cần thực hiện cho những chiều dài riêng lẻ được chỉ
rõ ở bên dưới.
Trở kháng của đường dây trung tính gồm có điện trở RE = 11 Ω và cuộn cảm LE = 250
mH. Giá trị này phù hợp cho toàn bộ chiều dài đường dây 360 km.
Như vậy, thí nghiệm kéo theo những điều kiện vận hành không đối xứng (ví dụ:
những sự cố không đối xứng) có thể chỉ được thực hiện sử dụng chính xác toàn bộ chiều dài.
Điều này cũng ứng dụng cho điện dung của đường dây.
Cuộn kháng với được thiết kế chịu dòng điện 1A; cho phép quá tải trong thời gian
ngắn cho những phép đo ngắn mạch.
Những cuộn cảm với lõi sắt có đặc tuyến không tuyến tính nhất định; mà những thuộc
tính điện của chúng thay đổi theo khi một hàm của dòng điện chảy qua chúng.
Vì điều này, và vì những ảnh hưởng của nhiệt độ và sai số trong sản xuất, độ lệch lên hơn

10% giá trị danh định của R và L có thể xuất hiện. Quy trình xây dựng điện cảm L được trình
bày ở mục c.
- Xây dựng cuộn cảm L.
+) Thông số.
Thành phần này cũng được thiết kế cho 3 dây pha và một dây trung tính. Cuộn cảm
ở mỗi dây pha có 4 đầu ra từ 0 mH đến 290 mH, còn cuộn cảm cho dây trung tính có hai đầu
ra 0 mH và 250 mH. Sau đây là các giá trị sử dụng ở các đầu ra ngoại trừ đầu ra 0 mH:
Chiều dài (km)
360
216
144
Chiều dài (%)
100
60
40
L (mH)
290
174
116


17
+ Thi công.
Với các thông số như trên, tiến hành thi công mô hình tải thuần cảm bằng phương pháp thực
nghiệm.
 Xác định thông số đầu ra: như trên
 Công thức tính toán: L  0

n2
n2

l
. Với R i 
.
S
l
Ri
0S

(29)

Trong đó:
 l: chiều dài đường sức từ;
  : độ từ thẩm;







  0 : độ từ thẩm chân không, 0  4.107 H/m;
 S: diện tích mặt cắt đường sức từ;
 n: số vòng dây.
Xác định dòng cực đại: 1A
Chọn dây quấn: dây đồng, tiết diện 0,6 mm2 – 3 A;
Xác định kích cỡ lõi thép (dimensions): 85 x 72 x 32 mm3.
Lõi thép được chọn bao gồm nhiều lá thép kỹ thuật điện được dập theo hình chữ E và I.
Thử nghiệm:
 Quấn thử nghiệm 300 vòng và 370 vòng trên cùng một lõi thép tương ứng với hai
đầu ra. Lõi thép được sắp xếp riêng biệt theo hình chữ E và I, sau đó ghép lại với

nhau theo hình EI.
 Dùng bộ nguồn 3 pha cung cấp điện cuộn dây trên cùng với đồng hồ đo V, A. Dùng
nút xoay và theo dõi giá trị áp và dòng tăng từ 0 V đến 220 V. Cần chú ý đến dòng
đo được trên đồng hồ và giá trị dòng chịu đựng của cuộn dây.
 Kết quả thu được:
Số vòng
Giá trị trung bình (mH)
300
116
370
174


Nhận xét: Từ kết quả trên, giá trị điện cảm L tỷ lệ với bình phương số vòng dây
quấn theo như công thức (50) trên. Ngoài ra, ta thấy rằng giá trị L tuyến tính (phụ
thuộc vào số vòng dây). Bởi lẽ, trên cùng một lõi thép thì các giá trị ,  0 , l, S tương
tự nhau (cùng một lõi thép).
 Tính toán số liệu: Sau khi thấy được kết quả thử nghiệm và quy luật của nó. Tiến
hành tính toán số vòng dây quấn cho từng giá trị đầu ra của tải cảm cho cả 3 pha và
dây trung tính (4 lõi thép như nhau). Kết quả tính toán:
Chiều dài (km)
360
216
144
Chiều dài (%)
100
60
40
L (mH)
290

174
116
Số vòng dây
480
370
300
Số vòng dây
trung
445
tính(250mH)
Module đường dây được thiết kế và xây dựng như hình sau


18

MÔ HÌNH ĐƯỜNG DÂY
TRUYỀNCẢM
TẢI
TẢI THUẦN

Hình 14a. Module đường dây truyền tải - bản vẽ

Hình 14b. Module đường dây truyền tải -Module thật.
4.5.4 Tụ đƣờng dây
Thành phần này gồm có ba tụ điện 2,5µF riêng lẻ, phù hợp với một nửa điện dung
của mô hình đường dây truyền tải với chiều dài 360 km.
Như vậy, sử dụng hai điện dung đường dây, có thể lắp thành một mạch mô tả các
trạng thái vận hành như mô hình đường dây truyền tải với nhiều điện dung đường dây với đất.

19
Nếu cả hai điện dung đường dây được sử dụng cùng với những điện dung của mô
hình đường dây truyền tải, có thể mô hình như thật về sự tiêu thụ công suất phản kháng chính
xác trong đường dây cáp ngầm.
Module tụ đường dây được thiết kế và xây dựng như hình sau:

b.

a.

b.
Hình 15. Tụ đường dây. a. Bản vẽ. b. Module thật

4.5.5 Tải thuần trở
Tải thuần trở được thiết kế ba pha, gồm có ba điện trở có thể thay đổi được có điện
trở R = 0 - 1000 Ω. Những điện trở đơn vị này có thể tải được dòng điện cực đại 2,5 A và có
cầu chì bảo vệ phù hợp. Tải được thay đổi bằng cách xoay nút trên mô hình tải. Một nút xoay
chung cho cả 3 pha.
Vị trí nút xoay
%R
0
0
1
100
2
50
3
35
4
25

5
20
6
17
7
14
Mạch điều khiển dùng relay lấy tín hiệu điều khiển từ nút xoay và được cấp nguồn
DC 12V từ bộ nguồn ADC. Sử dụng cầu nối để liên kết những điện trở riêng lẻ của tải để có
thể nối thành cấu hình đenta hoặc sao. Trong phạm vi bài thí nghiệm, chỉ được nối hình sao.
Module tải thuần trở được thiết kế và xây dựng như hình sau:


20

PE
T? I THU? N TR?

a.

b.
Hình 16. Tải thuần trở. a. Bản vẽ. b. Mô hình thật

4.5.6 Tải thuần cảm
- Thông số tải.
Thành phần này cũng được thiết kế thành một tải ba pha và gồm có ba điện cảm
riêng lẻ có nhiều đầu ra. Mỗi pha tương ứng có mười đầu ra từ 0 mH đến 6 mH. Sau đây là
các giá trị sử dụng ở các đầu ra ngoại trừ đầu ra 0 mH:
Giá
trị
0,2

0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
2,4
4,8
6,0
(H)
Dòng cực
0,65 0,65 0,65 0,5
0,5
0,5
0,25 0,25
0,25
đại (A)
Những điện cảm riêng lẻ của tải có thể được nối đenta hoặc sao bằng cách sử dụng
cầu nối. Trong phạm vi bài thí nghiệm, chỉ được nối hình sao.
- Thi công.
Với các thông số tải như trên, tiến hành thi công mô hình tải thuần cảm bằng phương pháp
thực nghiệm.
 Xác định thông số đầu ra: như trên.
 Công thức tính toán: L  0

n2
n2
l
S
. Với R i 
.

l
Ri
0S

 Trong đó:
 l: chiều dài đường sức từ (mm);
  : độ từ thẩm;







  0 : độ từ thẩm chân không, 0  4.107 H/m;
 S: diện tích mặt cắt đường sức từ (mm2);
 n: số vòng dây.
Xác định dòng cực đại: 1A
Chọn dây quấn: dây đồng, tiết diện 0,4 mm2 – 2 A;
Xác định kích cỡ lõi thép (dimensions): 90 x 85 x 40 mm3.
Lõi thép được chọn bao gồm nhiều lá thép kỹ thuật điện được dập theo hình chữ E và I.
Thử nghiệm:
 Quấn thử nghiệm 320 vòng và 450 vòng trên cùng một lõi thép tương ứng với hai
đầu ra. Lõi thép được sắp xếp riêng biệt theo hình chữ E và I, sau đó ghép lại với
nhau theo hình EI.
 Dùng bộ nguồn 3 pha cung cấp điện cuộn dây trên cùng với đồng hồ đo V, A. Dùng
nút xoay và theo dõi giá trị áp và dòng tăng từ 0 V đến 220 V. Cần chú ý đến dòng
đo được trên đồng hồ và giá trị dòng chịu đựng của cuộn dây.



21
Kết quả thu được:
Số vòng
320
450

Giá trị trung bình (mH)
210
415



Nhận xét: Từ kết quả trên, giá trị điện cảm L tỷ lệ với bình phương số vòng dây
quấn theo như công thức (50) trên. Ngoài ra, ta thấy rằng giá trị L tuyến tính (phụ
thuộc vào số vòng dây). Bởi lẽ, trên cùng một lõi thép thì các giá trị ,  0 , l, S tương
tự nhau (cùng một lõi thép).
 Tính toán số liệu: Sau khi thấy được kết quả thử nghiệm và quy luật của nó. Tiến
hành tính toán số vòng dây quấn cho từng giá trị đầu ra của tải cảm cho cả 3 pha (3
lõi thép như nhau). Kết quả tính toán:
Giá trị
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
2,4
4,8

6,0
(H)
Dòng cực
0,65 0,65 0,65
0,5
0,5
0,5
0,25
0,25
0,25
đại (A)
Số vòng
300
450
550
630
700
770 1085 1530 1710
dây
Module tải thuần cảm được thiết kế và xây dựng như hình sau:
L1

L2

6.0H 0.25A

6.0H 0.25A

L3

6.0H 0.25A

4.8H 0.25A

4.8H 0.25A

4.8H 0.25A

2.4H 0.25A

2.4H 0.25A

2.4H 0.25A

1.2H 0.5A

1.2H 0.5A

1.2H 0.5A

1.0H 0.5A

1.0H 0.5A

1.0H 0.5A

0.8H 0.5A

0.8H 0.5A

0.8H 0.5A

0.6H 0.65A

0.6H 0.65A

0.6H 0.65A

0.4H 0.65A

0.4H 0.65A

0.4H 0.65A

0.2H 0.65A

0.2H 0.65A

0.2H 0.65A

0

0

0

PE
T?I THU?N C?M

a.

b.
Hình 17. Tải thuần cảm. Bản vẽ. b. module thật.

4.5.7 Tải thuần dung
Tải ba pha và gồm có ba nhóm tụ điện rời rạc có những giá trị sau đây: 2µF - 4µF 8µ F - 16µF. Điện dung ở giá trị 2µF và 4µF được thiết kế với điện áp là 450 VAC. Điện dung
ở giá trị 8µF và 16µF có điện áp thiết kế là 400 VAC.
Những điện dung riêng lẻ của tải có thể được kết nối đenta hoặc sao bằng cách sử
dụng cầu nối. Trong những thí nghiệm thực hiện ở đây chỉ dùng kiểu nối sao.
Module tải thuần dung được thiết kế và xây dựng như hình sau:
2µF 450V ~

2µF 450V ~

4µF 450V ~

4µF 450V ~

8µF 450V ~

8µF 450V ~

16µF 450V ~

16µF 450V ~

2µF 450V ~

4µF 450V ~

8µF 450V ~

a.
b.

16µF 450V ~

PE
T? I THU? N DUNG

a.

b.
Hình 18. Tải thuần dung. a. Bản vẽ. b. Module thật